柳杉木材吸聲性能的研究

王 東，彭立民，傅 峰，王軍鋒，朱廣勇

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

柳杉木材吸聲性能的研究

王 東，彭立民，傅 峰，王軍鋒，朱廣勇

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

實(shí)木的吸聲性能與其微觀構(gòu)造有著緊密的聯(lián)系，研究實(shí)木的吸聲性能有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本實(shí)驗(yàn)利用阻抗管，研究了柳杉木材吸聲性能與其紋理方向、厚度、心邊材、木材含水率之間的關(guān)系。結(jié)果表明在紋理方向上橫切面的吸聲性能最好，邊材略高于心材。在1 500～2 500 Hz內(nèi)，隨木材厚度的增加吸聲系數(shù)不斷增加，并且隨厚度的增加吸收峰會(huì)向低頻方向移動(dòng)，隨厚度增加高頻的吸聲系數(shù)會(huì)降低，纖維飽和點(diǎn)以下木材吸聲性能明顯高于纖維飽和點(diǎn)以上的。

柳杉木材；實(shí)木吸聲性能；吸聲系數(shù)；木材微觀構(gòu)造

隨著近代工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染也隨之產(chǎn)生，大氣污染、噪聲污染、水污染與固體廢棄物污染被稱之為全球四大污染[1]。噪聲污染已經(jīng)對(duì)人的健康生活造成嚴(yán)重危害，降低噪聲最有效的方法是利用吸聲和隔聲材料。目前對(duì)于吸聲材料的研究也越來越多，但對(duì)于各向異性木材的吸聲性能研究不多，機(jī)理研究尚未成熟[2]，由于木材在不同紋理方向上的細(xì)胞排列方式不同，所以聲波進(jìn)入木材之后發(fā)生反射等現(xiàn)象情況不同，其內(nèi)摩擦衰減會(huì)不同；此外木材早晚材之間也存在差異，徑切面早晚材是并聯(lián)形式排列而弦切面早晚材是串聯(lián)，所以聲波沿著木材不同紋理方向傳播時(shí)，聲波的衰減存在差異?？傊?，由于木材結(jié)構(gòu)上的各向異性，使其在不同方向的吸聲存在差異。木材的厚度、心邊材、含水率也會(huì)對(duì)其吸聲性能產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)從柳杉木材的不同紋理方向上、心邊材、不同厚度、不同含水率等方面研究木材吸聲性能，以法向平均吸聲系數(shù)的大小來衡量木材的吸聲性能的大小。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

柳杉Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto etDietr，產(chǎn)自四川，基本密度為0.29 g/cm3，含水率為6.0%。試件規(guī)格為F100 mm和F29 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要通過測(cè)量柳杉木材試件的法向平均吸聲系數(shù)來評(píng)定其吸聲性能（注：125 Hz , 250 Hz,500 Hz, 1 000 Hz, 2 000 Hz，4 000 Hz 六個(gè)倍頻程的中心頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值來表示某一材料（或結(jié)構(gòu)）的平均吸聲系數(shù)），測(cè)試方法參考GB/T18696.2-2002《阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分：傳遞函數(shù)法》。根據(jù)GB/T 1928-2009《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法總則》密度和含水率測(cè)定規(guī)定。

直徑100 mm的試件測(cè)量的是50 ～1 600 Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)，直徑29 mm試件測(cè)量的是1 000 ～6 300 Hz內(nèi)的吸聲系數(shù)。紋理方向相關(guān)性采用10 mm厚度的心材試件，厚度相關(guān)性采用理論厚度為10 mm、15 mm、20 mm的弦切面邊材試件，心邊材相關(guān)性采用10 mm厚度的徑向試件，含水率4個(gè)梯度（64%、25%、19%、6.0%），試件為10 mm厚度的橫切面。每個(gè)相關(guān)性下采用3個(gè)試件，每個(gè)試件測(cè)量3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.3 主要儀器

北京聲望公司SW422系列阻抗管，MC3242/510121四通道數(shù)采，PA50功放。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材紋理方向?qū)ξ曅阅苡绊?/h3>

木材紋理是指構(gòu)成木材主要細(xì)胞的排列方向。木材中絕大多數(shù)細(xì)胞（柳杉中主要是管胞）是沿樹軸的方向排列，組成細(xì)胞壁的主要壁層（S2層）微纖絲的排列方向也近似平行于細(xì)胞軸方向。徑切面和弦切面吸聲系數(shù)的差異與木材木射線的比率、排列方向，早晚材密度的差異程度、排列方式及其晚材率有關(guān)，所以聲波沿著不同紋理方向傳播時(shí)木材的吸聲特性存在差異。如圖1所示：橫切面的平均吸聲為0.246 5，弦切面平均吸聲系數(shù)為0.126 1，徑切面的平均吸聲系數(shù)為0.107 8。3個(gè)切面中低頻率吸聲系數(shù)都很低，橫切面在頻率800 Hz時(shí)才達(dá)到0.2，弦切面和徑切面在頻率3 150 Hz時(shí)才達(dá)到0.2，3個(gè)切面都在5 000 Hz時(shí)吸聲系數(shù)達(dá)到最大值。橫切面的吸聲系數(shù)明顯比其余兩個(gè)切面吸聲系數(shù)高，在高頻部分橫切面的平均吸聲系數(shù)（0.46）近似為弦切面（0.29）和徑切面（0.23）的2倍。由圖2知：在3個(gè)切面的方向上吸聲系數(shù)隨頻率的增加在不斷地變大。

在100～1 000 Hz的低頻、中頻段3個(gè)切面的吸聲系數(shù)都很低，所以柳杉木材在中低頻的吸聲性能很差，都小于0.25。在1 000 ～5 000 Hz的高頻部分，吸聲系數(shù)隨頻率的增加而增加，三個(gè)紋理方向的吸聲系數(shù)分別進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析，發(fā)現(xiàn)三次冪多項(xiàng)式和較為合適，與陳瑞英[2]等人的研究結(jié)果相吻合。即吸聲系數(shù)a和頻率f的非線性回歸方程為：a=b0+b1f+b2f2+b3f3。其中b3、b2、b1、b0為回歸系數(shù)，表2給出了回歸系數(shù)，相關(guān)系數(shù)系數(shù)的平方值，從表1中可以看出3個(gè)切面的相關(guān)系數(shù)R2基本上都大于0.960 0，實(shí)際測(cè)量的和預(yù)測(cè)吻合程度很好，所以在1 000 ～5 000 Hz的高頻部分，吸聲系數(shù)隨頻率的增加而增加。橫切面的增大趨勢(shì)明顯高于其余兩個(gè)切面，弦切面在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均高于徑切面。在5 000 Hz達(dá)到最大值。在1 000～5000 Hz的高頻帶橫切面的吸聲系數(shù)（aC）最大，其次是弦切面（aT），最后是徑切面（aR）。三個(gè)切面的吸聲系數(shù)的差異主要和木材3切面結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。

表 1 回歸系數(shù)及其相關(guān)系數(shù)Table 1 Coefficients of regression

柳杉木材在橫切面上為管胞橫切面，形似蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，微細(xì)孔多。徑向和弦向是細(xì)胞的長(zhǎng)軸方向，微細(xì)孔少，研究認(rèn)為[3-7]由于橫切面的微孔多于弦切面和徑切面，所以由微孔引起的摩擦和空氣粘滯消耗也會(huì)加劇，所以橫切面的吸聲系數(shù)大于徑切面和弦切面；其次聲波沿細(xì)胞軸中傳播產(chǎn)生的漫反射或折射增多，引起木材細(xì)胞薄壁的振動(dòng)增強(qiáng)，干涉消聲加大。弦切面和經(jīng)切面的差異主要來自木射線和早晚材。木射線是唯一沿徑向分布的細(xì)胞。弦切面是木材木射線的橫切面，具有很多細(xì)小的空隙，故弦切面的吸聲系數(shù)比徑切面大。再者由于弦切面早晚材是串聯(lián)，而徑切面早晚材是并聯(lián)，早材的空隙明顯比晚材大，聲波很容易反射出來，所以晚材吸聲系數(shù)比早材高，因此柳杉木材在弦向的吸聲系數(shù)比徑向大。

2.2 厚度對(duì)吸聲性能影響

由圖2可以看出柳杉木材頻率-吸聲系數(shù)曲線近似拋物線型。柳杉木材在中低頻的吸聲系數(shù)很低，α都0.25。并且隨著厚度的增加平均吸聲系數(shù)有所提高，10.12 mm，15.26 mm，20.16 mm 3個(gè)厚度的平均分別為0.126 1、0.189 1、0.215 4。在高頻部分由于隨著厚度增加聲波在木材中傳播路徑增加，發(fā)生反射干涉等現(xiàn)象也會(huì)增多，所以隨著厚度的增加木材的吸聲系數(shù)在高頻段有明顯的提高。在每一個(gè)厚度是都有一個(gè)吸收峰，10.12厚度在5 000 Hz吸聲系數(shù)最大值為0.97；15.26厚度吸收峰在3 150 Hz為0.82；在20.16 mm時(shí)吸收峰在2 500 Hz為0.86。由于多孔性吸聲材料的第一共振頻率近似與吸聲材料的厚度成反比，（聲波與材料共振能量消耗最大）所以隨著厚度的增加高頻段的吸聲系數(shù)峰值會(huì)向低頻方向移動(dòng)。并且在頻率4 500 Hz時(shí)厚度為20.16 mm和厚度為10.12 mm吸聲系數(shù)相等，約為0.45，在頻率為3 800 Hz時(shí)20.16 mm厚度的和15.26 mm厚度的吸聲系數(shù)相等，約為0.78。這就說明材料的厚度達(dá)到一定值時(shí)，厚度的增加對(duì)高頻的吸聲性能影響很小[8]。

2.3 心邊材對(duì)吸聲性能影響

由圖3可知：柳杉木材在邊材和心材的平均吸聲系數(shù)分別為0.152 9和0.107 9，邊材的吸聲性能與心材的差異很小，不到0.05。心邊材的吸聲性能都隨頻率的增加而增加，在頻率為5 000 Hz時(shí)達(dá)到最大值，分別為0.96和0.79。如圖3所示：邊材在整個(gè)頻率段上吸聲性能都要優(yōu)于心材。因?yàn)榱寄静膶儆谛牟臉浞N，其心邊材顏色和含水率、密度由明顯的區(qū)別，邊材的含水率和密度高于心材。含水率高木材空隙中的濕度就越高，空氣的粘性越大。聲波引起木材內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)，粘度越大分子之間的運(yùn)動(dòng)摩擦就越大，能量損耗就越多。木材分子在聲波的作用下經(jīng)歷平衡態(tài)到激發(fā)態(tài)再到平衡態(tài)（該現(xiàn)象稱為馳豫現(xiàn)象）的過程，該過程中分子相互作用將聲能轉(zhuǎn)化成熱能，并且該過程是不可逆的。木材的心材是由邊材轉(zhuǎn)變而成，在變化過程中細(xì)胞中沉淀樹脂、色素、礦物質(zhì)等，針葉材產(chǎn)生閉塞紋孔，細(xì)胞堵塞。所以柳杉木材邊材的吸聲性能要好于心材。

2.4 木材含水率對(duì)吸聲性能影響

木材中水分分為自由水和結(jié)合水，結(jié)合水與木材呈化學(xué)鍵結(jié)合為木材的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，結(jié)合水主要以機(jī)械作用于木材結(jié)合。木材含水率變化時(shí)最開始先是自由水的變化，最后才是木材結(jié)合水的變化。木材自由水填充在細(xì)胞腔等細(xì)胞間隙中，自由水減少木材內(nèi)空隙增多，而結(jié)合水較少主要是細(xì)胞壁中非結(jié)晶去水分子減少，非結(jié)晶區(qū)水分子減少微纖絲與微纖絲之間距離減少，木材細(xì)胞壁收縮，木材內(nèi)空隙變大,木材的空隙變化對(duì)木材的吸聲性能影響較大。在不同含水率下吸聲系數(shù)變化很明顯。

含水率在纖維飽和點(diǎn)以上（64%）柳杉木材在整個(gè)頻率段上的吸聲很差，平均吸聲系數(shù)為0.075，最大吸聲系數(shù)為0.24，在纖維飽和點(diǎn)25%時(shí)平均吸聲系數(shù)為0.108，最大吸聲系數(shù)為0.22，含水率為19%時(shí)，平均吸聲為0.125，最大值為0.24。在纖維飽和點(diǎn)以下6%時(shí)，平均吸聲系數(shù)為0.246 5，最大吸聲系數(shù)為0.81。在2 000 Hz時(shí)含水率為64%木材吸聲系數(shù)比含水率為25%和19%的高。

圖4 不同含水率的吸聲系數(shù)Fig.4 Sound absorption coeff i cient in different MC levels of wood

如圖4所示：含水率在6%時(shí)，柳杉木材的吸聲系數(shù)要高于其他含水率下的。在高頻部分含水率越低，吸聲性能越好。當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，自由水占據(jù)木材細(xì)胞腔等細(xì)胞間隙，木材的孔隙率會(huì)減小，表面聲阻抗增加，聲波的發(fā)射增強(qiáng)而透射減小吸聲性能下降。含水率6%比含水率19%的木材吸聲系數(shù)大很多，主要原因是細(xì)胞壁收縮木材細(xì)胞壁變薄，孔隙率變大，振動(dòng)增強(qiáng)消聲增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

柳杉木材在低頻的平均吸聲系數(shù)為0.026 56，中頻段平均吸聲系數(shù)0.163 3，所以木材在低頻和中頻部分吸聲性能很差。在高頻段吸聲優(yōu)良，平均吸聲系數(shù)為0.490 4，吸聲系數(shù)可以最高可以達(dá)到0.9以上。在紋理方向上，3個(gè)切面上的空隙結(jié)構(gòu)完全不同，橫切面是管胞的橫切面空隙最復(fù)雜，所以柳杉木材在橫切面上吸聲性能最優(yōu)，其次是弦切面（木射線的作用），最后是徑切面切面。不同厚度對(duì)吸聲性能影響，平均吸聲系數(shù)隨厚度增加有所提高，但是厚度增加到一定值后，厚度對(duì)高頻的吸聲系數(shù)影響較小。隨著厚度的增加整個(gè)頻率上的吸收峰會(huì)向低頻方向移動(dòng)，所以單純依靠增加厚度來提高吸聲系數(shù)效果不明顯。心邊材對(duì)吸聲性能影響，邊材的吸聲系數(shù)比心材要高，但是差異不太明顯，最大差距0.1。纖維飽和點(diǎn)以下的木材吸聲性能要高于纖維飽和點(diǎn)以上的木材。

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Study on sound absorption characteristics ofCryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr

WANG Dong, PENG Li-min, FU Feng, WANG Jun-feng, ZHU Guang-yong
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

The sound absorption performance of solid wood is closely linked with its microcosmic structure. The research of sound absorption performance of solid wood has important practical significance. The relations betweenCryptomeria fortunei’s soundabsorbing properties and texture, thickness, heartwood and sapwood, and moisture content were investigated by using impedance tube method. The results show that the sound absorption performance on the cross-section in the texture direction was the best, the sound absorption coeff i cient of sapwood was slightly higher than that of heartwood’s; As the thickness of the tested wood increased the sound absorption coeff i cient also raised correspondingly within the 1500～2500 Hz; and the sound absorption coeff i cient moved toward the low-frequency direction. the sound absorption coeff i cient with high frequency reduced, and the wood’s sound-absorbing properties that its moisture content was under fi ber saturation point, was higher than that its moisture content was above fi ber saturation point.

Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr; sound absorption characteristics of solid wood; coeff i cient of sound absorption; wood microstructure

S781.38；S791.31

A

1673-923X(2014)10-0137-04

2013-09-16

國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃課題：“家裝材與室外材增值制造技術(shù)研究與示范”（2012BAD24B02）

王 東（1990-），男，陜西咸陽人，碩士研究生，主要從事木質(zhì)吸聲材料方面的研究；E-mail：wangrookie@sina.cn

彭立民（1972-），河南商丘人，副研究員，博士，主要從事木質(zhì)吸聲材料方面的研究；E-mail：penglm@caf.ac.cn

[本文編校：文鳳鳴]